Koperbalans in Reflow: Wanneer dieven de vervorming versnellen

Copper diefstal zou moeten werken. De strategie is gangbaar en de logica is solide: voeg koper toe aan sparse gebieden van een printplaat, balanceer de algehele dichtheid en verminder spanning tijdens de fabricage. Voor veel ontwerpen werkt dit perfect. Maar wanneer het agressief wordt toegepast, zonder rekening te houden met thermisch gedrag, stopt diefstal met een oplossing te zijn. Het wordt de bron van het probleem dat het zou moeten oplossen. Platen die vlak hadden moeten uitkomen uit de reflowoven, komen gedraaid uit, met misaligned componenten en beschadigde soldeerverbindingen.

Deze storing is tegenintuïtief omdat de oorzaak van de vervorming niet abstract koperonevenwicht is, maar asymmetrische verwarming tijdens de reflowcyclus. Het toevoegen van koper verandert de thermische massa en warmteverdeling van een plaat. Wanneer dat koper wordt geplaatst zonder te begrijpen hoe het de verwarmingssymmetrie bij piekreflow-temperaturen beïnvloedt, creëert het nieuwe thermische onevenwichten - vaak erger dan het oorspronkelijke. De plaat draait terwijl verschillende regio's op verschillende snelheden opwarmen en die warmte voor verschillende tijden vasthouden, wat differentiële uitzetting veroorzaakt die het ondervlak niet zonder vervorming kan absorberen.

Het antwoord is niet het opgeven van koperbalans. Het is het erkennen dat stackup-symmetrie, gecontroleerde lokale koperdichtheid en correcte paneelondersteuning veel effectievere strategieën zijn dan deken diefstal. Deze benaderingen richten zich direct op thermische asymmetrie, in plaats van koperverdeling puur als een geometrische oefening te behandelen. Om te begrijpen wanneer diefstal de situatie verergert, moet je eerst de thermische mechanica begrijpen die een plaat bij 250°C beheert.

De thermische mechanica van reflowvervorming

Vervorming is in wezen een probleem van begrensde differentiële uitzetting. Een printplaat is een samenstelling van materialen met verschillende coefficienten van thermische uitzetting (CTE), thermische massa's en thermische geleidbaarheid. Wanneer deze samenstelling snel en ongelijk wordt verwarmd, bouwen zich interne spanningen op. Als die spanningen de elastische limiet van het ondervlak bij hoge temperaturen overschrijden, vervormt de plaat. De vervorming kan tijdelijk zijn, zich ontspannen als de plaat afkoelt, of permanent worden als het ondervlak uitrekt of het koelproces de spanning vastlegt.

Waarom differentiële uitzetting draaiing veroorzaakt

De CTE van een materiaal beschrijft hoeveel de afmetingen per graad temperatuurverhoging veranderen. De CTE van koper is ongeveer 17 ppm/°C. FR-4 laminaat, de meest voorkomende PCB-ondergrond, heeft een vergelijkbare in-plane CTE van 14-17 ppm/°C, maar de door-dikte CTE is veel hoger, vaak 60-70 ppm/°C. Deze mismatch betekent dat koper en FR-4 willen uitzetten bij verschillende snelheden naarmate de temperatuur stijgt.

In een laminaat samen gebonden, kan geen van beide materialen vrij uitzetten. Het koper beperkt de FR-4, en de FR-4 beperkt het koper, wat interne spanning creëert. Als de plaat gelijkmatig wordt verhit en het koper symmetrisch wordt verdeeld door de stapel, zijn deze spanningen beheersbaar. De plaat zet gelijkmatig uit, de symmetrie van de stapel houdt de neutrale as gecentreerd, en de gebalanceerde krachten boven en onder houden de plaat vlak.

Egalistische verwarming is echter een luxe. Wanneer één gebied van een plaat heter wordt dan een ander, wil het meer uitzetten. Aan een koeler gebied vastgeketend, kan het dat niet, en de spanning bouwt zich op langs de grens. Als de thermische gradiënt ernstig en consequent georiënteerd is - één kant van de plaat altijd heter dan de andere - zal de plaat buigen of draaien om de spanning te verlichten, en zoeken naar een nieuwe evenwichtsvorm die interne spanning minimaliseert.

Timing is cruciaal. FR-4 wordt aanzienlijk flexibeler naarmate het de glass transition temperature (meestal 170-180°C) nadert en overschrijdt. Tijdens de piek van de reflow, bij of boven 240°C, is de onderlaag het minst rigide. Dit is het moment van maximale kwetsbaarheid. Een thermisch onevenwicht op dit punt zal de plaat vervormen. Als die vervorming de vervormingsgrens van de verzachte hars overschrijdt, zal de plaat haar vorm niet volledig herstellen bij het afkoelen.

Koper: Thermische Massa en Warmteweg

Tijdens het reflowproces speelt koper twee rollen: het fungeert als thermische massa en als een warmteweg. Beide zijn het gevolg van zijn fysieke eigenschappen — hoge specifieke warmte en buitengewoon hoge thermische geleidbaarheid vergeleken met FR-4.

Als thermische massa bepaalt koper de energie die nodig is om de temperatuur te verhogen. Een circuitboard met zware koperen vlakken vereist meer energie en tijd om de reflow-temperatuur te bereiken dan een met spaarzame banen. Dit betekent dat gebieden met een hoge koperdichtheid langzamer opwarmen dan gebieden met een lagere dichtheid. Als een circuitboard grote, dichte koperen vlakken aan de linkerhelft heeft en slechts lichte routing aan de rechterkant, zal de linkerhelft achterblijven in temperatuur tijdens het opwarmproces. Op elk moment is de rechterhelft warmer, waardoor de thermische asymmetrie ontstaat die vervorming aandrijft.

Als warmteweg maakt koper met zijn hoge thermische geleidbaarheid (ongeveer 400 W/m·K versus 0.3 W/m·K voor FR-4) het mogelijk om warmte snel te herverdelen. Een groot koperen vlak verwarmt niet alleen langzaam door zijn massa; het verspreidt ook de warmte weg van lokale hete spots, waardoor de temperatuur over het oppervlak gelijkmatig wordt. Hoewel dit gunstig kan zijn, betekent het ook dat de aanwezigheid of afwezigheid van koper fundamenteel verschillende thermische zones creëert. Een gebied met een massief vlak heeft een langzame, uniforme thermische respons. Een gebied met alleen banen heeft een snelle, gelokaliseerde respons.

Koper voegt niet alleen massa toe; het herstructureert fundamenteel het thermische landschap van het circuitboard. Daarom moet de distributie ervan worden beschouwd als een kwestie van thermisch ontwerp, niet alleen fabricatie-eenheid.

Hoe koperverdeling de verwarmingssymmetrie bepaalt

Thermische symmetrie betekent dat alle regio's van het bord rond dezelfde tijd dezelfde temperatuur bereiken. Hoewel perfecte symmetrie onmogelijk is, is het doel om thermische gradiënten te minimaliseren, vooral tijdens de piekfases van de reflow wanneer het bord het meest buigzaam is.

Koperdistrubutie bepaalt deze symmetrie door de thermische massa en geleidbaarheid van het bord te definiëren. Een circuitboard met een uniforme koperdichtheid heeft een relatief uniforme thermische respons en absorbeert warmte als een samenhangend geheel. Een bord met zeer niet-uniform koperdichtheid wordt een patchwork van zones met verschillende thermische tijdsconstanten — dichte gebieden lopen achter, terwijl sparsere gebieden voorlopen.

Het probleem wordt nog groter bij meerlagige circuits. Overweeg een ontwerp met zes lagen, waarbij stroomroutelagen slechts de helft van het oppervlak beslaan. Die helft van het bord heeft aanzienlijk hogere thermische massa. Tijdens het reflowproces verwarmen ze langzamer, waardoor er een blijvende gradiënt ontstaat van de sparsere kant naar de dichte kant. Als deze gradiënt langs de lengte van het bord loopt, buigt het zich. Als het een roterende asymmetrie vertoont, draait het.

Het reflowprofiel kan dit verergeren. De soak-zone van een profiel is ontworpen om temperaturen gelijk te trekken vóór de laatste opbouw naar de piek, maar het is niet oneindig lang. Als een circuitbord een significante thermische massa-ongelijkheid heeft, is de soak mogelijk niet genoeg. Terwijl de oven op 240-250°C spikeert, overschrijden de laag-massige gebieden eerst, terwijl de hoge-massige gebieden nog inhaal. Dit is het kritieke venster waar vervorming begint.

Zodra duidelijke thermische zones zich vormen, reageren ze op elkaar. Een groot koperen vlak in een dicht gebied trekt warmte naar zich toe, waardoor dat gebied langer koel blijft en de gradiënt met aangrenzende sparsere gebieden wordt verdiept. Zonder de thermische buffer van koper verwarmen die sparsere gebieden snel. De gradiënt blijft bestaan tijdens de piek, en het bord vervormt.

De deken diefstalddekteaTrap

De instinct om koperroof toe te passen is gebaseerd op geldige fabricageoverwegingen zoals uniforme ets- en galvanisatieprocessen. Maar wanneer het wordt toegepast als een algehele vulling om een streefpercentage te behalen, creëert het vaak de thermische asymmetrie die het juist wilde voorkomen.

Het wordt het probleem.

Wanneer Toegevoegde Koper Nieuwe Onevenwichten Creëert

Diefstal verhoogt de thermische massa van de gebieden waar het wordt toegevoegd. Op een bord met functioneel koper geconcentreerd in sommige gebieden en sparse routing in andere, wordt diefstal doorgaans alleen toegevoegd aan de sparse regio's. Die gebieden, die voorheen een lage thermische massa hadden en snel opwarmden, verwarmen nu langzamer.

Dit verwijdert niet het zware functionele koper; het verschuift alleen de thermische balans. Als de roofing agressief genoeg is, kan het de balans te ver verschuiven. Het eerder sparsere gebied zou nu een thermische massa kunnen hebben die vergelijkbaar is met de functionele gebieden, maar met een andere geometrie, wat een nieuw en onvoorspelbaar onevenwicht creëert.

Het probleem is niet alleen dichtheid, maar ook locatie en intentie. Als diefstal wordt geplaatst in een regio die tijdens reflow al koeler was, maakt het toevoegen van thermische massa daar het nog kouder, waardoor de gradiënt steiler wordt. Dekenachtige diefstalstrategieën maken geen onderscheid hierin; ze passen vulling toe op basis van een dichtheiddoel, niet op thermische analyse. Het resultaat is vaak meer koper op plekken waar dat niet zou moeten zijn.

Een specifiek falingspatroon doet zich voor wanneer roofings direct boven innerlaag-plaatsen op de buitenlagen wordt toegevoegd. Deze oppervlaktelast absorbeert warmte uit de oven en geleidt deze naar binnen. Als de innerlagen al hoge thermische massa hebben, verhoogt de buitenbekleding de totale massa van die stapel zonder de warmte-inbraak naar de kern te verbeteren. De kern blijft achter, de temperatuurgradiënt van oppervlak naar kern neemt toe, en doorlaagd spanning bouwt zich op, wat in-plane vervorming veroorzaakt doordat de oppervlaktelagen meer uitzetten dan de kern.

Roofing bij maximale temperatuur

De reflow-peak is het moment van de grootste thermische stress en minimale substratehardheid. Elke thermische onbalans die hier bestaat, zal de grootste impact hebben omdat het vermogen van het bord om vervorming te weerstaan op zijn laagst is. Diefstal verankert een thermische structuur. Als die structuur een onbalans creëert die zich manifesteert bij de pieptemperatuur, zal dit elke keer gebeuren wanneer het bord door een oven gaat.

De oven kan een onbalans die intrinsiek is aan de constructie van het bord niet oplossen. Als de oven de hitte verhoogt om koele, hoge-massa regio's op temperatuur te brengen, zullen de thermisch responsieve regio's over de top gaan. Het bord bereikt zijn piek met verschillende gebieden op verschillende temperaturen. De warmere gebieden zetten meer uit, de koelere gebieden zetten minder uit. Het bord is zacht. Het draait. Tijdens het afkoelen kan de vervorming permanent worden, waardoor componenten uit positie raken en soldeerverbindingen worden aangetast—een defect dat met standaard elektrische tests niet zichtbaar is.

Stackup-symmetrie: de primaire verformingscontrole

De meest effectieve manier om vervorming te beheersen, is door een bordstapeling te ontwerpen die thermisch en mechanisch symmetrisch is rondom de centrale as. Dit zorgt ervoor dat thermische expansiekrachten op de bovenste helft van het bord worden weerspiegeld door gelijke en tegengestelde krachten op de onderste helft. Zonder netto buigmoment blijft het bord vlak.

Balanceren van koper, Plane tot Plane

Samenstellingssymmetrie betekent dat voor elk koperelement op één laag, een overeenkomstig element bestaat op een laag die even ver van het midden van het bord ligt. In een zes-laags stapeling zou laag twee de laag vijf moeten weerspiegelen, en laag drie de laag vier. Als laag twee een solide aardingslaag is, moet laag vijf een solide aardingslaag zijn van hetzelfde gebied en dikte. Deze weerspiegeling balanceert de thermische massa door de dikte van het bord, waardoor de boven- en onderhelften tegelijk opwarmen. De spanning door CTE-verschil is nog steeds aanwezig, maar het is symmetrisch, zodat het bord gelijkmatig expandert zonder te buigen.

De buitenlagen (één en zes) moeten ook in balans zijn. Hoewel identiek koperdik vaak onmogelijk is vanwege de plaatsing van componenten, is het doel om het totale koperdgewicht en de verdeling zo dicht mogelijk bij elkaar te houden. Materiaalkeuze is ook belangrijk; diktes van kern en prepreg moeten worden weerspiegeld rond het midden om de mechanische en thermische neutrale assen uit te lijnen, en zo de weerstand van het bord tegen vervorming te maximaliseren.

Wanneer Stackup-modificatie beperkt is

Perfecte symmetrie is niet altijd mogelijk. Kosten kunnen het aantal lagen vastleggen, of het ontwerp kan platen vereisen die niet kunnen worden gespiegeld. Een bord dat een groot aardingsvlak op laag twee nodig heeft zonder overeenkomstig vlak op laag vijf, is inherent asymmetrisch.

In deze gevallen is een aanpak om een niet-functioneel, deels vlak te gebruiken. Een geïllustreerd of gemengd koperen dekking die hetzelfde gebied bedekt, voegt thermische massa toe en verbetert de symmetrie zonder een solide elektrisch vlak te creëren. Dit compromis kan vervorming vaak tot acceptabele niveaus verminderen. De afweging is verhoogd koperdgebruik voor een niet-functioneel kenmerk, een kostenpost die moet worden afgewogen tegen de opbrengst van vervorming.

Wanneer de symmetrie van de stapeling wordt aangetast, is het bord gevoeliger voor vervorming, en de marge voor fouten is klein. Het toevoegen van agressieve diefstal aan een al asymmetrische stapeling is bijzonder riskant omdat het kan reageren op de bestaande onbalans op onvoorspelbare manieren.

Gecontroleerde koperdichtheid zonder agressieve vulling

Als symmetrie van de stapeling de belangrijkste verdediging is, is gecontroleerde koperdichtheid het tactische hulpmiddel voor het beheren van lokale onbalansen. Het doel is om koper alleen toe te voegen waar dat nodig is, in de juiste hoeveelheid, zonder nieuwe thermische problemen te creëren. Dit vereist een verschuiving van globale naar lokale balans, gecombineerd met mechanische ondersteuning tijdens de reflow.

Lokale Balans boven Globale vulling

Lokale balans betekent dat je de koperdichtheid in specifieke regio's aanpakt, in plaats van een uniform vullingspatroon overal toe te passen. Het proces begint met het identificeren van geconcentreerde en sparsere koperen gebieden, en vervolgens gebruik te maken van thermisch inzicht om te beslissen waar extra koper zal helpen versus waar het zal schaden.

Als een zeer laag-dicht gebied wordt omgeven door regio's met matige dichtheid, kan het toevoegen van bescheiden diefstal de thermische discontinuïteit verzachten. Het doel is niet om een globale dichtheid te bereiken, maar om de gradiënt te verminderen. Als de omliggende gebieden 30% koper hebben en het sparsere gebied 5%, kan het brengen tot 15% al voldoende zijn. Het opdrijven tot 30% met agressieve diefstal kan het doel overschrijden.

Dit betekent ook dat je diefstal moet vermijden waar het niet nodig is. Koper toevoegen aan een thermisch stabiel gebied om een arbitrair global dichtheiddoel te halen, voegt onnodige thermische massa toe en verschuift de balans. Dit is de valstrik van rigide ontwerpregels die distributie negeren. De geometrie van de vulling doet er ook toe. Geïllustreerde of gedotteerde patronen creëren een lagere effectieve thermische massa dan vaste vullingen en bieden fijnere controle. Ze kunnen worden gebruikt om fabricageminimums te voldoen zonder het thermisch gedrag van een regio te domineren.

De praktische aanpak: gebruik grof, laag-dichtheidsvulling alleen waar nodig om te voldoen aan de minimum vereisten van een fabricator. Rechtvaardig elke toevoeging van koperen op basis van regio, niet als een globale operatie.

Paneelondersteuning en gereedschap

Paneelondersteuning is een mechanische strategie die thermisch ontwerp aanvult. Zelfs een bord met enige thermische onbalans kan plat gehouden worden als het adequaat wordt ondersteund in de reflow oven. De ondersteuning beperkt het vermogen van het bord om te vervormen terwijl het door zijn meest kwetsbare, hoge-temperatuurstatus gaat.

Een bord dat nog aan zijn paneel is bevestigd, wordt beperkt door de rails van het paneel, die stijver zijn en de hele assemblage vlak houden. Om deze reden worden veel hoog- betrouwbaarheid assemblages in paneelvorm gereflowd. Voor individuele borden bieden een reflow-drager of -klem dezelfde functie. Deze stevige frames, vaak gemaakt van materialen met lage CTE, zoals grafietcomposiet, houden het bord vlak door mechanische kracht. De compromis is het eigen thermische gewicht van de drager, wat de reflow-curve kan beïnvloeden.

Ondersteuning elimineert niet de thermische onbalans; het onderdrukt de resulterende vervorming. Het bord staat nog steeds onder interne spanning, wat de soldeerverbindingen kan beïnvloeden. Ondersteuning is daarom een mitigatiestrategie, geen allesomvattende oplossing. De beste resultaten worden bereikt door thermische onbalans te minimaliseren via ontwerp en mechanische ondersteuning om residual risico te beheersen.

Beslissen wanneer diefstal gerechtvaardigd is

Koperroof is niet inherent slecht. Het wordt problematisch wanneer het blindelings wordt toegepast, als vervanging voor goed geplaatste stapelopbouw en densiteitscontrole. De beslissing om het te gebruiken moet doelbewust zijn.

Wanneer is het gerechtvaardigd?

• Om te voldoen aan fabricageminimum's. Veel fabricagebedrijven vereisen een minimale koperdichtheid (bijvoorbeeld 20-30%) voor een gelijke plating. Als een ontwerp onder dit niveau ligt, is enige vulling verplicht. Voeg in dat geval alleen voldoende koper toe om aan de minimum te voldoen, met behulp van laag-dichtheids patronen. Dit is een fabricagebeperking, geen thermische optimalisatie.
• Wanneer thermische simulatie een duidelijk voordeel toont. In sommige gevallen kan modellering aantonen dat het toevoegen van koper aan een specifieke hotspot de thermische massa net genoeg kan verhogen om het in balans te brengen met aangrenzende gebieden. Dit is het juiste, chirurgische gebruik van roof als thermisch hulpmiddel, het tegenovergestelde van een dekenvulling.
• Wanneer het bord van nature stijf is. Dikke, kleine of zeer symmetrische borden kunnen agressieve roof zonder problemen verdragen. De beslissing is risicogebaseerd. Als een bord marginaal is—dun, groot of asymmetrisch—moet roof strikt worden gecontroleerd.

Het leidende principe is spaarzaamheid. Voeg koper alleen toe wanneer er een duidelijke behoefte is en een helder begrip dat het geen slechter probleem zal creëren. Voorkeur voor minimale, gelokaliseerde roof. Vertrouw eerst op de symmetrie van de stapelopbouw voor thermisch evenwicht en gebruik paneelondersteuning om residual risico te beheersen. Behandel roof als een gerichte correctie, niet als een standaard afwerkingsstap. Je borden komen vlak uit de reflow, en je assemblagerendement zal dat ontwerpdisciplined weerspiegelen.